材料科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求

龍杰靈

【摘 要】現(xiàn)代信息技術(shù)在材料科學(xué)與工程實(shí)踐專(zhuān)業(yè)中的融入，為材料科學(xué)與工程實(shí)踐專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)提供了材料網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室。借助此實(shí)驗(yàn)室可以更為形象直觀(guān)的虛擬出材料科學(xué)與工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)而更為準(zhǔn)確科學(xué)的展示材料科學(xué)與工程實(shí)踐專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用效果。文中以材料科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求為分析對(duì)象，探討虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)打破實(shí)體實(shí)驗(yàn)室資源局限的作用與意義。

【關(guān)鍵詞】材料科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；需求

早在20世紀(jì)90年代，已有學(xué)者開(kāi)始使用現(xiàn)代信息技術(shù)來(lái)研究虛擬實(shí)驗(yàn)室，并將其納入到教學(xué)中作為輔助工具加以使用。在近些年來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為遠(yuǎn)程教學(xué)和國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的熱點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)材料科學(xué)與工程實(shí)踐專(zhuān)業(yè)而言，其價(jià)值不僅限于更為形象直觀(guān)的虛擬出材料科學(xué)與工程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還包括可以幫助學(xué)生完成各項(xiàng)無(wú)法實(shí)驗(yàn)的疑題，進(jìn)而幫助學(xué)生內(nèi)化專(zhuān)業(yè)知識(shí)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)材料科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)但學(xué)習(xí)而言極為重要。

1 材料科學(xué)與工程實(shí)踐專(zhuān)業(yè)中虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用的必要性

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為核心，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)習(xí)者按照實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，僅使用鼠標(biāo)拖動(dòng)和點(diǎn)擊，就可以在微機(jī)上將各類(lèi)虛擬儀器組裝成完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，繼而在此系統(tǒng)中實(shí)時(shí)所有的實(shí)驗(yàn)的一種平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅包含數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)條件的改變、結(jié)果分析以及實(shí)驗(yàn)?zāi)M，還可以為實(shí)驗(yàn)者展示出真實(shí)環(huán)境中預(yù)定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成的過(guò)程及結(jié)果。材料科學(xué)與工程實(shí)踐學(xué)習(xí)中引入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅可以幫助該專(zhuān)業(yè)學(xué)生在節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上，隨時(shí)隨地構(gòu)建出符合其需要的模型，還可以幫助學(xué)生答疑解惑，并借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所具有的資源共享性、高度開(kāi)放性、低成本、操作安全性和可擴(kuò)展性特征，展示出通過(guò)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法看到的結(jié)構(gòu)原理，或者仿真實(shí)訓(xùn)不可重組的精密設(shè)備。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的此類(lèi)特性和優(yōu)勢(shì)，可培養(yǎng)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的儀器維護(hù)能力、操作能力和檢修能力，其能快速響應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求的特性，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法比擬的。

2 材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)方式

2.1 整理需求，規(guī)劃材料虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)步驟

按照材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的日常學(xué)習(xí)和實(shí)踐要求，材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成需要覆蓋該專(zhuān)業(yè)二級(jí)學(xué)科平臺(tái)課程和一級(jí)學(xué)科平臺(tái)課程的重點(diǎn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。在第一階段可建立4個(gè)實(shí)驗(yàn)室和11個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)。在建設(shè)目標(biāo)設(shè)定方面，需要保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程的形象和直觀(guān)，因此需要以3D的形式來(lái)構(gòu)建，表達(dá)方式，可借助特技和聲效等多媒體形象來(lái)代為表現(xiàn)。儀器需要具備可調(diào)節(jié)性和可操控性，以便保障提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中的交互感、沉浸感和臨場(chǎng)感，使學(xué)生在動(dòng)手操作的過(guò)程中，容器人時(shí)感受到儀器的變化，使之進(jìn)一步明確并掌握操作要求。為保障知識(shí)表達(dá)的準(zhǔn)確和科學(xué)性。在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)時(shí)必須提供具有可視化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)空間。為保障實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈活性以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)展性和更新性，在前期設(shè)計(jì)時(shí)可導(dǎo)入部分知識(shí)內(nèi)容的設(shè)計(jì)要求，留出可更新和可修改的空間，以便學(xué)生隨時(shí)更新和補(bǔ)充知識(shí)。

2.2 明確基本表現(xiàn)形式，確定各級(jí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本表現(xiàn)形式是以Web的服務(wù)器或?yàn)g覽器作為基礎(chǔ)，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)材料科學(xué)網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。瀏覽器和支持IE5.5版本。使用XML文檔及XLS文件存儲(chǔ)交換信息。在XLS對(duì)象發(fā)送時(shí)，基于交互式FLASH技術(shù)，可通過(guò)Socket將XLS對(duì)象發(fā)送出去，從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)編碼使用JANA語(yǔ)言，客戶(hù)支持系統(tǒng)運(yùn)用SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)管理

材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)必須包含內(nèi)容發(fā)布和管理、成果發(fā)布、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)課程維護(hù)、系統(tǒng)維護(hù)和即時(shí)通信等功能。需要實(shí)現(xiàn)與多媒體虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)交互、應(yīng)用管理和統(tǒng)計(jì)分析功能，進(jìn)而為實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)開(kāi)展提供有力的數(shù)據(jù)支撐。在以上各類(lèi)功能的實(shí)現(xiàn)要求下，建議深化實(shí)驗(yàn)室人員管理功能，這是確保材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室良好運(yùn)作的先決條件。

除以上之外，在構(gòu)建材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)時(shí)，還需要考慮如何使其作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化與補(bǔ)充。如何充分發(fā)揮其作為材料科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)課程或者學(xué)習(xí)的知識(shí)詮釋能力等。通過(guò)建立材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，提供形象直觀(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生可藉此獲得交互式的個(gè)性化學(xué)習(xí)方式，此種學(xué)習(xí)方式是可打破實(shí)體實(shí)驗(yàn)室資源的局限，使學(xué)生可以共享優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，從而保障知識(shí)內(nèi)化的更為準(zhǔn)確科學(xué)。但是，為保障材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)管理成效，建議學(xué)生或者教師定期進(jìn)行材料科學(xué)與工程模擬實(shí)驗(yàn)室的問(wèn)題排查及相關(guān)信息的存儲(chǔ)和知識(shí)更新。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]